Biologické membrány

Biologické membrány

Biologické membrány sú dynamické štruktúry, zložené z lipidov a proteínov, umožňujúce kompartmentalizáciu (štrukturovanie) buniek.

Kontrolujú chemické zloženie a koncentráciu molekúl v jednotlivýchbunkových štruktúrach, čím vplývajú na metabolické procesy.

Podieľajú sa na prenose informačných signálov vnútri bunky, ako aj medziBunkami.

Zohrávajú úlohu pri pohybe a zachovávaní tvaru buniek, ako ajv procese vzájomného kontaktu medzi bunkami.

Schematické znázornenie štruktúry biomembrány

20. roky 20. st. - začalo terajšie chápanie membránovej štruktúry - model biologickej membrány pozostával len z lipidovej dvojvrstvy

40. roky 20. st. - na vysvetlenie mechanických vlastností plazmatickej membrány sa predpokladalo, že povrch membrány je pokrytý proteínmi

70. roky 20. st. - ukázalo sa, že proteíny sú zapustené do lipidovej dvojvrstvy - kvapalno-mozaikový model membrány

Začiatok 21. st.- odhalila sa atómová štruktúra niektorých proteínov premosťujúcich membránu

História pohľadu na biologické membrány

Chemické zloženie membrán

Hlavné komponenty membrán: lipidy a proteíny

Ich zastúpenie závisí od funkcie konkrétnej membrány.

Minoritné zložky: glykolipidy a glykoproteíny

Lipidy

Fosfolipidy : glycerofosfolipidy, sfingomyelínyCholestrol

GlycerofosfolipidyGlycerofosfolipidy sú estery glycerolu, kyseliny fosforečnej a vyšších mastných kyselín.

1,2-diacylglycerol 3-fosfát - základ štruktúry glycerofosfolipidov

Konkrétny typ glycerofosfolipidu je daný alkoholom esterifikujúcimfosfátovú skupinu: cholín, etanolamín, serín, glycerol, inozitol.

Mastné kyseliny nachádzajúce sa v štruktúrach glycerofosfolipidov:Nenasýtené: myristová, steárová, palmitováNasýtené: palmitoolejová, olejová, linoleová, arachidonová

Amfifatický charakter glycerofosfolipidovNepolárna hydrofóbna časť – mastné kyselinyPolárna nabitá časť – fosfátová skupina + esterifikovaný alkohol

Sfingolipidy

Sfingozín a dihydrosfingozín - základné štruktúrne molekuly sfingolipidov

Významné sfingolipidy: ceramid, sfingomyelín, glykosfingolipidy (cerebrozidy, gangliozidy)

sfingomyelín

- hlavný sterol v membránach živočíšnych buniek je cholesterol- prevažne apolárny- v dvojvrstve - hydroxyl na atóme C3 smeruje k povrchu membrány- v ľudskom organizme je transportovaný prostredníctvom lipoproteínov s nízkou hustotou (angl. low-density lipoproteins – LDL)

Cholesterol

Lipidové zloženie jednotlivých membrán sa líši.

Toto zloženie je veľmi podobné v rovnakých vnútrobunkových membránach v špecifickom tkanive u rôznych druhov:

- plazmatická membrána má najvyššiu koncentráciu neutrálnych lipidov a sfingolipidov

- myelínové membrány axónov nervového tkaniva sú bohaté na sfingolipigy s vysokým podielom glykosfingolipidov

- lipidové zloženie membrán mitochondrie, jadra a zrnitého endoplazmatického retikula je podobné

Lipidové zastúpenie v membránach

Membránové proteíny

Periférne - lokalizované na povrchu membrán, obyčajne rozpustnévo vode, izolujú sa prostredníctvom roztokov s vysokou iónovou silou,alebo pri extrémnych pH

Integrálne – proteíny vnorené do membránovej štruktúry, obsahujú sekvencie hydrofóbnych aminokyselín, ktoré interagujú s reťazcamimastných kyselín, izolácia prostredníctvom detergentov

Funkcie membránových proteínov

katalytické, transportné, receptorové, štrukturálne

Micely a lipozómy

Amfifatické molekuly fosfolipidov pri istej koncentrácii (kritická micelárna koncentrácia) vytvárajú vo vodnom prostredí sférické častice nazývané micely.

V závislosti na vonkajších podmienkach dokážu fosfolipidy vytváraťdvojvrstvové lipidové štruktúry. Pri rozrušení tejto lipidovej dvojvrstvy sa môže vytvoriť do seba uzatvárajúca sa sférická vezikula - lipozóm.

Lipozómy sú vhodné prenášače liečiv, enzýmov, nukleových kyselín.

Typy pohybov fosfolipidových molekúl v dvojvrstve

Rýchle: rotačno - difúzny pozdĺžno - (laterálno) difúzny ohyb uhľovodikových reťazcov

Pomalé: medzivrstvová (transverzná) výmena (tzv. flip - flop)

Micely a lipozómy

Štruktúra biologických membrán

Všetky biologické membrány majú lipidovú dvojvrstvovú štruktúru, do ktorej sú zabudované proteíny (integrálne, povrchové) -

model tekutej mozaiky

Názov modelu pre biologické membrány indikuje dynamičnosť štruktúry(pohyb ako lipidovej, tak aj proteínovej časti) membrán.

Tento model vysvetľuje viaceré vlastnosti biologických membrán: fluidita,flexibilita, zmena tvaru, nepriepustnosť pre nabité molekuly.

- spôsob vzájomného usporiadania molekúl lipidov a proteínov v biologickej membráne (Singer a Nicolson, 1972) - základom membrány je lipidová dvojvrstva, do ktorej sú zabudované proteíny

- všetky zložky membrány sa nachádzajú vo viac-menej tekutom stave a pohybujú sa (tekutosť)

- mozaikový - kvôli istému rozmiestneniu proteínov, z ktorých niektoré prenikajú celou hrúbkou membrány a iné sú lokalizované na jednej z jej strán

Model tekutej mozaiky

V dôsledku uvedeného rozmiestnenia proteínov sa membrána stáva asymetrickou. Membrána je taktiež dynamickým systémom, pretože lipidy a proteíny sa v nej môžu pohybovať.

- hydrofóbne reťazce mastných kyselín môžu byť veľmi usporiadané -  pomerne tuhá štruktúra (pravý kryštál, gel) alebo neusporiadané (tekutý kryštál)

- usporiadaná dvojvrstva sa so zvyšovaním teploty „topí“ -  pri istom kritickom teplotnom intervale dochádza k fázovému prechodu - k nárastu fluidity (tekutosti) membrány

- teplota prechodu - teplota, pri ktorej štruktúra podstupuje prechod z usporiadaného do neusporiadaného stavu

- k širokému rozsahu teplôt topenia prispieva zloženie a asymetrické rozmiestnenie lipidov v membránovej vrstve - plynulý prechod lipidov v membráne medzi tekutými a tuhými stavmi vytvára v membráne dočasné (krátkodobé) domény

- proteínové molekuly môžu vykazovať odlišné kinetické vlastnosti, keď sú obklopené fosfolipidmi v usporiadanom stave alebo v neusporiadanom stave

Fázový prechod v membráne

Interakcie medzi lipidovou a proteínovou časťou biologickej membrány

Integrálne proteíny Integrálne proteínyinteragujú s lipidmi prostredníctvom hydrofóbneho úsekuaminokyselín (najčastejšie leucín, izoleucín, valín, fenylalanín), ktoré vnútrimembrány vytvárajú α - závitnucu.

V závislosti od typu proteínu môže existovať jeden, alebo viac transmembránových segmentov.

Vlastnosti integrálnych proteínov často závisia od lipidového zloženiamembrán.

Periférne proteínyPeriférne proteíny sú väčšinou voľne naviazané na povrch membrán(elektrostatická interakcia s nabitými fosfolipidovými časťami, väzba naintegrálne proteíny, čiastočné zanorenie hydrofóbnej sekvencie aminokyselíndo membrány, spojenie prostredníctvom kovalentne naviazaných lipidov).

Transport molekúl cez membrány

Pasívny transport: difúzia, uľahčená difúzia (membránové kanály,transportéry pasívneho transportu) – transport molekúl v smere koncentračného gradientu

Aktívny transport: transportéry aktívneho transportu – transport proti koncentračnému gradientu

Difúzia

Difúzia je proces, pri ktorom molekuly samovoľne prechádzajú z miest svyššou koncentráciou na miesta s nižšou koncentráciou týchto molekúl.

Ľahko difundujúce molekuly cez membrány : O2, CO, N2, NO, rôznelipofilné nízkomolekulové zlúčeniny.

Voda difunduje tiež relatívne dobre biologickými membránami cez tzv. prechodové priestory (transitory spaces) (priestory vytvorené medzi reťazcami mastných kyselín pri ich vzájomnom pohybe).

Transport cez membrány – schématické znázornenie

Membránové kanály (póry)

Membránové kanály patria medzi integrálne membránové proteíny, ktorévytvárajú hydrofilný otvor cez membránu a umožňujú tak rýchly pohyb iónov,alebo špecifických molekúl cez membránu v smere koncentračného gradientu.

Typy membránových kanálov:

Napäťovo regulovaný – napr. Na+ kanál

Chemicky regulovaný – napr. acetylcholínový receptor

cAMP regulovaný – napr. Cl- kanál

Iné typy – napr. citlivý na tlak

Membránové transportéry

Membránové transportéry sú molekuly, ktoré špecificky viažu a prenášajú cezmembránu anorganické katióny a anióny (napr. Na+, K+, Ca 2+, Cl-, HPO4

2-) arôzne organické molekuly (aminokyseliny, cukry).

Hoci transportéry značne uľahčujú a urýchľujú prenos molekúl cez membránu v porovnaní so spontánnou difúziou, táto rýchlosť (102 – 103 molekúl .s-1) je oveľa menšia než v prípade prenosu cez kanály (10 7 molekúl.s-1).

Charakteristiky membránových transportérov

- saturačná kinetika- špecificita pre prenášané molekuly- môžu byť inhibované- molekuly sa prenášajú v smere (pasívny transport), alebo proti smeru (aktívny transport) koncentračného gradientu- prenos nevyžaduje (pasívny transport), alebo vyžaduje (aktívny transport) prísun energie

Mechanizmus transportu molekúl cez membrány prostredníctvom prenášačov (transportérov)

-„spoznanie“ (recognition) prenášanej molekuly prenášačom- prenos molekuly cez membránu- uvoľnenie prenášanej molekuly z prenášača do prostredia- obnovenie pôvodnej štruktúry a polohy prenášača pre transport ďalšej molekuly

Existujú systémy, ktoré simultánne prenášajú dve molekuly.

- prenos jednej molekuly jedným smerom - uniport- prenos dvoch molekúl v jednom smere - symport- prenos dvoch molekúl v opačných smeroch - antiport

Energetika membránového transportu

Rýchlosť difúzie sa riadi 1. Fickovým zákonom:

J - množstvo prenesenej látky jednotkovým prierezom za jednotku časuD - difúzny koeficient

Zmena voľnej energie (ΔG) pri prenose nenabitých molekúl z jednej strany membrány (koncentrácia molekúl c1) na druhú stranu (koncentrácia molekúl c2):

V prípade prenosu nabitých molekúl je zmena voľnej energie vyjadrená:

F – Faradayova konštanta, z – náboj prenášanej molekuly, ∆Ψ – rozdiel v elektrických potenciáloch medzi stranami membrány

( )12clog..R.3,2 cTG =∆

( ) ΨzcTG ∆+=∆ F..clog..R.3,2 12

( )xcD ∂∂−= .J

V rovnováhe platí vzťah:

potom:

ΔΨ sa nazýva Nernstov potenciál

Nernstova rovnica

- vyjadruje rozdiel elektrického membránového potenciálu ako funkciu koncentrácií iónov (ktoré dokážu prechádzať membránou) na obidvoch stranách membrány pri termodynamickej rovnováhe

- umožňuje vypočítať a) distribúciu iónov ako funkciu elektrického potenciálu b) elektrický potenciál, ktorý je indukovaný rôznym rozložením iónov

Ak by v systéme existoval len jeden typ iónov priepustných cez membránu,tak membránový potenciál by sa rovnal Nernstovmu potenciálu tohto iónu.

Nernstov potenciál

[ ] [ ]( ) ΨzXXTG AB ∆+==∆ F..log.R..3,20

[ ] [ ]( )AB XXzTΨ log.F.R..3,2−=∆

Donnan poukázal na vplyv nabitých makromolekúl, ktoré sa nachádzajúna jednej strane polopriepustnej membrány, na rozdelenie malých iónovna oboch stranách membrány.

Systém - makromolekuly s nábojom (M-n) nachádzajúce sa na jednejstrane polopriepustnej membrány a voľne difundujúce ióny A+ a B-.

Elektrický membránový potenciál pre ióny A+ a B- (predpokladajme, že sajedná o jednomocné ióny) má hodnotu:

Δ ψ= - R.T/F.(ln([A+]II/[[A+]I)= R.T/F.(ln ([B-]II/[[B-]I)

[A+]II/[[A+]I= [B-]I/[[B-]II = D, Donnanov koeficient

Na obidvoch stranách membrány platí podmienka elektroneutrality:

[A+]I= [B-]I a [A+]II= [B-]II + n [M-n]

Donnanova rovnováha

Donnanova rovnováha

Úpravou predchádzajúcich dvoch rovníc dostávame:

[A+]II/ [A+]I = ([B-]II + n [M-n]) / [B-]I => D= (n.[M-n] / [B-]I) +1/D

Ďalšou úprava vedie ku kvadratickej rovnici:

D2 - (n.[M-n] / [B-]I) .D -1=0

Jej riešením je výraz: D= (n.[M-n] / 2.[B-]I) + (1+(n.[M-n] /2.[B-]I)2)0.5

Pre elektrický potenciál na membráne za daných okolností platí“

Δ ψ = - (R.T/F).lnD

Z vyjadrenia pre Donnanov koeficient je zrejmé, že čím je vyššia koncentrácia makromolekuly, tým výraznejšia je asymetria rozdelenia nízkomolekulových iónov na oboch stranách polopriepustnej membrány.